Цифровые измерительные приборы (ЦИП)

Представляют собой средства измерений, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в виде последовательности цифр (в цифровой форме).

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место в мировой технике.

Непрерывные величины могут принимать бесконечное количество значений в определенном диапазоне. Дискретные величины принимают лишь ограниченное количество дискретных значений в этом диапазоне. Преобразование непрерывной величины в дискретный цифровой код выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в два этапа:

1 - дискретизация непрерывной величины во времени;

2 - квантование непрерывной величины по уровню и присвоение кода отождествленному уровню.

1. Дискретизация непрерывной величины во времени.

Это этап преобразования непрерывной величины х(t) в последовательность дискретных величин (х₁, х_{2, …} х_к), значение которых совпадает с соответствующими значениями х(t) только в определенные моменты времени. Промежуток времени между двумя соседними точками отсчета называется шагом дискретизации, т.е. ∆t=t₁-t₂.

Проблема выбора шага дискретизации заключается в том, что при малых значениях шага ∆t имеет место избыточность информации. При выборе больших ∆t часть информации может быть потеряна.

2. Квантование непрерывной величины по уровню и присвоению кода отождествленному уровню.

Эта операция сводится к тому, что величина х(t_i) заменяется ближайшим фиксированным значением х_к по установленной на первом этапе шкале дискретных уровней (х₁, х_{2, …} х_к). Эти дискретные (фиксированные) уровни образованы по определенному закону. Разность между двумя разрешенными уровнями называют интервалом (шагом или ступенью) квантования. Интервал квантования может быть как постоянным, так и переменным.

Следующим преобразованием измерительного сигнала является присвоение кода величине х_к. Цифровым кодом называется последовательность цифр или сигналов, подчиняющаяся определенному закону с помощью которой осуществляется условное представление численного значения величины. Код – символ, присваиваемый дискретной величине, который представляется в виде физических сигналов (например, электрического напряжения).

Но носителем информации в коде является не значение физических величин, а временное или пространственное расположение этих сигналов (величина электрического напряжения не является носителем информации).

Если носителем информации является временное расположение, то код называется последовательным, т.к. информация передается по одному информационному проводу во времени. Передача сигнала занимает много времени.

Если носителем информации является пространственное расположение, то код называется параллельным. Такой код передается по проводам, количество которых определяется разрядностью цифрового устройства. Этот вид передачи занимает меньше времени.

Рассмотрим процесс преобразования на графике непрерывной во времени функции х(t). Здесь х₀ – минимальное значение квантования, х(t_n) – максимальное значение квантования.

На этапе дискретизации в определённом временном интервале от нуля до t_n в моменты времени t₁, t₂,_..., t_k,…, t_n устанавливаются соответственно им фиксированные величины х₀, х₁, х₂,…, х_к, …,х(t_n).

В момент времени t_i ему будет соответствовать значение х(t_i) и при квантовании оно будет заменено ближайшей величиной х_к. Эта замена будет отличатся на незначительную величину - это погрешность дискретизации

Δх_диск = Х_к- х(t_i)

Чем больше значение n, тем меньше величина погрешности дискретизации Δх_диск, но процесс усложняется и занимает больше времени.

Отождествление непрерывной величины х(t_i) с дискретным значением х_к, может быть с ближайшим нижним или с ближайшим верхним уровнем, что зависит от алгоритма квантования.

Присвоение дискретного значения величине х_к кода также определяется правилами системы считывания.